Жаропрочные сплавы с ориентированной структурой (монокристаллические, эвтектические, интерметаллические)

Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана

Л.В. Тарасенко, М.В. Унчикова, Ю.А. Бондаренко

ЖАРОПРОЧНЫЕ СПЛАВЫ
С ОРИЕНТИРОВАННОЙ СТРУКТУРОЙ
(МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ,
ЭВТЕКТИЧЕСКИЕ, ИНТЕРМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ)

 Методические указания к лабораторной работе

Под редакцией Л.В. Тарасенко

М о с к в а
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2 0 0 6

УДК 669.018.44
ББК 34.431
         Т19

Рецензент В.Н. Симонов

Тарасенко Л.В., Унчикова М.В., Бондаренко Ю.А.
Жаропрочные сплавы с ориентированной структурой
(монокристаллические, эвтектические, интерметаллические):
Методические указания к лабораторной работе / Под ред.
Л.В. Тарасенко. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. –
24 с.: ил.

Приведены  сведения о материалах, используемых при изготовлении
лопаток газотурбинных двигателей. Рассмотрены микроструктуры современных 
сплавов с ориентированной структурой: никелевых   монокристаллических 
ЖС32 и ЖС40, эвтектического сплава  типа ВКЛС, а также сплава 
на основе интерметаллида Ni3Al – ВКНА-1В. В лабораторной работе
студенты изучают влияние химического состава, кристаллографического
направления и термообработки на микроструктуру и свойства сплавов.
Для  студентов 6-го курса специальности «Материаловедение (машиностроение)» 
и студентов факультета «Энергомашиностроение».
Ил. 4. Табл. 4.

                                                                                                                УДК 669.018.44
                                                                                                      ББК 34.431

                                                                            © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006

Т19

Цель работы – изучить микроструктуру современных жаропрочных 
никелевых сплавов с монокристаллической и эвтектической 
структурами, интерметаллидного сплава с монокристаллической 
структурой, зависимость механических свойств сплавов от их
микроструктуры, химического состава и термообработки.

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Повышение мощности современных газотурбинных двигателей
(ГТД) летательных аппаратов базируется на применении новых
жаропрочных материалов для деталей горячего тракта, способных
работать при температурах до 1100…1250 ºС и обладающих необходимым 
комплексом механических свойств.
Главными рабочими элементами турбины являются сопловые и
рабочие лопатки. Эти детали по условиям нагружения и требуемой
надежности не имеют аналогов среди машиностроительных деталей, 
изготовляемых по литейной технологии. Лопатки работают в
условиях воздействия статических, циклических и динамических
нагрузок в агрессивной газовой среде. К ним предъявляется комплекс 
требований: жаропрочность до 1000…1150 ºС, сопротивление 
много- и малоцикловой усталости (в том числе и термической).

Многоцикловая усталость проявляется вследствие деформаций,
возникающих при каждом обороте двигателя. Сопротивление мно-
гоцикловой усталости определяется пределом выносливости 
1.
t
−
σ
Малоцикловая усталость – результат термомеханических деформаций, 
возникающих единожды при каждом пуске турбины
или при каждом изменении нагрузки. Разновидностью малоцикловой 
усталости является термическая усталость (или термоус-
талость). Причиной термоусталости являются неизбежные колебания 
тепловых деформаций, которые имеют место при  пусках и
остановах двигателя. Этот процесс развивается в литых охлаждаемых 
лопатках.  Для охлаждаемых лопаток сопротивление термоус-
талости, или термостойкость, является одним из основных
свойств, обеспечивающих их работоспособность.
Термостойкость – свойство материала выдерживать заданное
число теплосмен. Термостойкость определяется числом циклов,

которое выдерживает образец при заданном изменении температуры 
и напряжения.
 Повышение интенсивности охлаждения в современных сопловых 
и рабочих лопатках ГТД приводит к увеличению в них температурных 
градиентов и термических напряжений.
 Деформация при термоусталости l в интервале температур ∆t
пропорциональна коэффициенту линейного расширения α,  модулю 
упругости E и обратно пропорциональна теплопроводности λ:
/ .
l
E t
∆α
λ
∼

Уровень термических напряжений при термоциклировании
определяется уравнением
/1
,
E
t
σ =
α∆
− µ

где µ –  коэффициент Пуассона.
Для повышения термостойкости никелевых сплавов используют 
анизотропию модуля упругости.
 Материалом для литых лопаток ГТД являются жаропрочные
никелевые сплавы (ЖНС), получаемые при равноосной кристаллизации (
РК) и направленной кристаллизации (НК). При изготовлении 
лопаток по традиционной технологии методом точного литья
ЖНС имеют поликристаллическую структуру. Технология литья
с направленной кристаллизацией предусматривает получение
структуры, при которой дендриты и большеугловые границы зерен
ориентированы параллельно направлению главных напряжений в
лопатке («столбчатая» структура).
Важным направлением повышения жаропрочности никелевых
сплавов с ориентированной структурой является разработка материалов, 
в которых благодаря технологии монокристаллизации отсутствуют 
большеугловые границы, а литые детали (лопатки ГТД)
можно получать с заданной кристаллографической ориентировкой
(КГО).
Другое направление повышения рабочей температуры лопаток,
а также повышения сопротивления много- и малоцикловой усталости – 
разработка литых эвтектических сплавов, в которых составляющие 
эвтектики (никелевая матрица и волокна карбидной
упрочняющей фазы) ориентированы в направлении главных напряжений 
в лопатке.
 Так как монокристаллические сплавы (моносплавы) и эвтектики 
не обладают стойкостью против газовой коррозии, они применяются 
с защитными жаростойкими покрытиями.

Материалами, которые сочетают удовлетворительную жаропрочность 
до высоких температур и жаростойкость, являются
сплавы на основе интерметаллического соединения Ni3Al. Эти
сплавы могут применяться для изготовления как сопловых лопаток, 
так и различных деталей ГТД, работающих в условиях сгорания 
топлива (жаровые трубы, стабилизаторы пламени, створки
и т. п.). Сплавы на основе интерметаллидов изготовляют с различными 
структурами:  поликристаллической равноосной; направленной (
с границами зерен, ориентированными вдоль оси главных
напряжений); монокристаллической.  Монокристаллические ин-
терметаллидные сплавы имеют наиболее высокий уровень жаропрочных 
свойств.

Монокристаллические сплавы
с ориентированной структурой для лопаток

  Монокристалл – кристаллический объект, который во всем
объеме имеет единую кристаллическую решетку. В монокристаллах 
отсутствуют большеугловые границы, но имеются малоугло-
вые границы, разделяющие блоки и субзерна и состоящие из сеток
и стенок дислокаций.
Монокристаллической лопаткой называют деталь, которую
получают направленной кристаллизацией расплава из одного зародыша 
и которая не имеет большеугловых границ.
 При изготовлении монокристаллических лопаток путем направленной 
кристаллизации применяют затравку определенной
кристаллографической ориентировки (кристаллографического направления). 
Затравку выполняют из сплава определенного состава;
никель в затравке может иметь одно из следующих направлений
кристаллической решетки: <001>, <111>, <110>.  В процессе производства 
керамическую форму с затравкой и жидким сплавом
перемещают из горячей зоны печи в холодную. Последующий
рост зерен стимулируется в направлении температурного перепада, 
практически параллельно выбранной кристаллографической
ориентировке.  
Чем менее легирован сплав и ýже температурный интервал
кристаллизации, тем выше устойчивость плоского фронта кристаллизации. 
Монокристаллическая структура растет вдоль выбранного 
кристаллографического направления, которое образует
минимальный угол с направлением вектора температурного градиента (
не более 
o
10 ).

Реальные монокристаллы жаропрочных сплавов не отвечают
классическому определению монокристалла как объекта с непрерывной 
кристаллической решеткой, потому что, во-первых, в них
присутствуют различные дефекты структуры точечные, линейные,
малоугловые границы, а во-вторых, структура состоит из никелевого 
твердого раствора и мелкодисперсных выделений γ′-фазы,
содержит также эвтектические образования  [γ + γ′] и незначительное 
количество  первичных фаз (карбидов или боридов).
По химическому составу (табл. 1) никелевые монокристаллические 
сплавы отличаются от традиционных ЖНС с  равноосной и
направленной кристаллизацией. Отсутствие большеугловых границ 
зерен исключает необходимость в  упрочнении их карбидами
и боридами. Вследствие этого сплавы содержат меньшее количество 
углерода. В сплав ЖС32 введены такие элементы, как тантал
и рений. Оба элемента интенсивно упрочняют  твердый раствор;
тантал, кроме того, увеличивает количество и термостабильность
γ′-фазы.
 В сплаве ЖС40, специально созданном для монокристаллического 
литья, практически отсутствует углерод, повышено содержание 
молибдена (по сравнению со сплавом ЖС32) и тантала (в
отсутствие рения).
Изменением системы легирования обусловлен более простой
по сравнению с поликристаллическими ЖНС  фазовый состав мо-
носплавов, в которых имеются γ-твердый легированный раствор,
интерметаллическая легированная γ′-фаза и присутствует эвтектика [
γ + γ′].
Микроструктура
монокристаллической отливки, полученной 
в условиях дендритной кристаллизации, представляет собой
ориентированную (направленную)  дендритную структуру (продольные 
шлифы) (рис. 1, а). В зависимости от ориентировки применяемой 
затравки óси первого порядка могут иметь  кристаллографические 
направления: <001>, <111>, <110>.
Структура отливки (образца) сформирована ветвями одного дендрита, 
развившегося из затравки с выбранной кристаллографической
ориентировкой. Кроме того, монокристалл пронизан множеством
ветвей дендритов второго и третьего порядков. На протравленных
поперечных шлифах оси дендритов первого порядка имеют  форму
«мальтийских» крестов (рис. 1, б). Видимые на микрошлифе границы 
дендритов не являются большеугловыми границами. Повышенная 
травимость этих границ обусловлена ликвационными процессами: 
пограничные области обеднены молибденом и вольфрамом и
обогащены алюминием и титаном.

Таблица 1

Химический состав жаропрочных сплавов, % (мас.),
(средние значения)

Сплав
C
Cr
Co
W
Mo
Al
Ti
Nb
V
Zr
B
Другие

Монокристаллические сплавы

ЖС32
0,15
5,0
9,0
8,5
1,1
6,0
–
1,6
–
–
0,02
4,0 Re, 4,0 Ta

ЖС40
–
6,0
–
6,9
4,1
5,4
–
0,2
–
–
–
6,0 – 7,8 Ta

Эвтектический сплав

ВКЛС-20
0,40
4,5
9,0
12,5
1,0
6,2
–
4,0
1,0
–
–
–

Сплав на основе интерметаллида Ni3Al

ВКНА-1В
0,001–
0,02
6,0
–
3,6
3,6
8,6
1,7
–
–
–
–
0,3 Hf

При направленной кристаллизации в условиях невысокого температурного 
градиента в отливке на фронте роста может сформироваться 
структура с развитыми осями второго порядка (рис. 1, в).
Между осями дендритов расположены эвтектические колонии
(рис. 1, г).

Рис. 1. Микроструктура моносплава ЖС32:
а, б – продольные шлифы; в, г – поперечные шлифы (кристаллизация
со скоростью 4 мм/мин – а, в; со скоростью 20 мм/мин – б, г)

Рис. 2. Микроструктура моносплава ЖС40:
а, б, д – литое состояние; в, г – литое состояние + термообработка; а, б, в –
продольные  шлифы; г, д – поперечные шлифы; a – × 200; б–д – × 50

Для количественной оценки микроструктуры моносплавов используют 
следующие параметры: расстояние между осями первого
порядка λ1; расстояние между осями второго порядка  λ2, размер
эвтектики dэвт; размер карбидов dк. Повышение скорости кристаллизации 
приводит к измельчению всех структурных и фазовых
составляющих (сравните рис. 1, б и  в).
Повышение жаропрочных свойств моносплавов достигается
применением термической обработки.  Так, для сплава ЖС40
проводятся гомогенизация при температурах выше 1300 ºС
и двойное старение: при 1030…1050 ºС (10…24 ч) и при
870…900 ºС (30…48 ч). При гомогенизации уменьшается дендритная 
ликвация, что приводит к размытию границ дендритов при
микроскопическом анализе (вследствие выравнивания травимости
в осях дендритов и межосных пространствах) – рис. 2, а – д). Во
время охлаждения увеличивается объемная доля γ′-фазы.
Результатом двойного старения является равномерное и регулярное 
расположение частиц γ΄-фазы кубоидной формы, однородных 
по химическому составу, размерам (примерно 0,45 мкм) и
морфологии. Такая однородность структуры,  в свою очередь,
обеспечивает в моносплавах однородность механических свойств
от отливки к отливке, что является практически недостижимым
для  литейных ЖНС сплавов, полученных по другим технологиям.
Однако после термообработки в структуре сплавов увеличивается
пористость (см. рис. 2, в, д).
Преимущества в механических свойствах монокристаллических 
сплавов с их ориентированной структурой перед поликристаллическими 
сплавами с РК и НК определяются отсутствием в
моносплавах большеугловых границ. Вследствие этого повышаются   
циклическая прочность, длительная прочность, жаростойкость 
при одновременном повышении рабочей температуры лопатки 
до 1100 ºС (у равноосных сплавов – 1000 ºС).
 Применение термообработки, уменьшающей ликвацию и неоднородность 
частиц γ′-фазы по размерам, морфологии, химическому 
составу, повышает  длительную прочность монокристаллических 
сплавов по сравнению со сплавами с РК, особенно на
больших базах испытаний (табл. 2).
Преимуществом моносплавов является и то, что их механические 
свойства можно варьировать в зависимости от полученной
при литье КГО лопатки ГТД.  Анизотропия механических свойств
сплава типа ЖС6 проиллюстрирована в табл. 3. В сплавах на осно-